不銹鋼復(fù)合鋼板封頭裂紋成因分析及檢驗評定探討

吳高峰

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350008）

1 前言

不銹鋼復(fù)合鋼板是一種采用爆炸或爆炸-軋制等方法，由基層材料和覆層材料復(fù)合而成的雙層金屬鋼板[1]。其基層主要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求，覆層滿足耐磨損、耐腐蝕等特殊性能的要求。隨著石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，這種復(fù)合鋼板被廣泛應(yīng)用與各類設(shè)備、裝置的制造中，不僅顯著降低制造成本，還滿足了設(shè)備的使用工況要求[2]。

2 設(shè)備簡介和缺陷概述

表1 設(shè)備主要參數(shù)表

福建某大型石化企業(yè)PTA裝置中一臺PTA結(jié)晶器于2010年10月投用，設(shè)備參數(shù)詳見表1。該臺設(shè)備封頭部位采用不銹鋼復(fù)合鋼板旋壓制造，基層材料為16MnR，厚度28mm，主要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求；覆層材料為00Cr19Ni10，厚度3mm，主要滿足耐蝕、耐磨等特殊性能的要求。2017年對該設(shè)備進(jìn)行定期檢驗時，通過滲透檢測發(fā)現(xiàn)該容器內(nèi)表面下封頭內(nèi)襯覆層環(huán)縫的熱影響區(qū)存在大量裂紋缺陷，沿環(huán)焊縫整圈呈縱向分布，缺陷形貌詳見圖1。設(shè)備在運行過程中，如果未及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)此類缺陷，可能造成覆層裂紋擴(kuò)展成穿透性缺陷，介質(zhì)侵蝕基層材料，危及設(shè)備的安全運行。

圖1 定期檢驗中檢出缺陷的形貌圖

3 缺陷產(chǎn)生的原因分析

由圖1可見，裂紋方向與焊縫垂直，分布在焊接熱影響區(qū)。因復(fù)合鋼板多層焊接導(dǎo)致該部位較長時間停留在420℃～850℃的敏化溫區(qū)，奧氏體晶粒邊界析出碳化鉻，在狹窄區(qū)域形成貧鉻區(qū)，產(chǎn)生晶間腐蝕引發(fā)開裂。此外，封頭采用的復(fù)合鋼板中覆層材料為奧氏體不銹鋼，其導(dǎo)熱系數(shù)約為碳鋼的1/3，線膨脹系數(shù)也比碳鋼大得多，同時隨著溫度的升高，膨脹的差值也相應(yīng)增加。該類型復(fù)合鋼板在焊接過程中，基層、過渡層、覆層的焊接造成多次熱循環(huán)，焊接接頭及焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。同時由于焊接過程中，加熱和冷卻存在局部不均勻，使復(fù)合鋼板沿壁厚方向上存在較大的殘余應(yīng)力，覆層表面形成拉應(yīng)力，也是導(dǎo)致復(fù)合鋼板焊接后覆層表面容易產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。結(jié)晶器中具有攪拌機(jī)和折流板，通過攪拌來保持PTA顆粒處于懸浮狀態(tài)，同時加速晶粒生長[3]。內(nèi)壓交變載荷作用和酸性流動介質(zhì)磨損更加劇了覆層表面裂紋的擴(kuò)展。

另一方面，焊接過程中奧氏體不銹鋼覆層結(jié)晶時間長，雜質(zhì)偏析嚴(yán)重，覆層在焊接熱循環(huán)的作用下造成熱影響區(qū)晶粒粗大，碳、氮化合物沿晶界偏析，從而降低了覆層焊接接頭的塑性和韌性，增大了裂紋產(chǎn)生的幾率。

另外，采用此類不銹鋼復(fù)合鋼板制造帶拼接焊縫的封頭，若采用熱成型制造工藝會對焊接接頭的性能產(chǎn)生諸多不良影響，因此該類型封頭一般采用冷成型制造工藝。但在旋壓過程中往往施加較大的外力，基層金屬和覆層金屬間的力學(xué)性能差異使復(fù)合鋼板在塑性彎曲時產(chǎn)生不均勻的內(nèi)應(yīng)力，也是缺陷產(chǎn)生的因素之一。

4 檢驗對策和缺陷處理

（1）定期檢驗過程中發(fā)現(xiàn)該類裂紋時，應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大表面無損檢測的比例或者區(qū)域，以便發(fā)現(xiàn)可能存在的其它缺陷。同時采用超聲測厚方法，在裂紋產(chǎn)生部位測定基層壁厚是否存在明顯的腐蝕減薄，并標(biāo)圖記錄[4]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)覆層穿透性缺陷或者有可能引起壓力容器本體腐蝕的缺陷時，應(yīng)當(dāng)查明本體的腐蝕狀況和其他缺陷。

（2）根據(jù)表面檢測結(jié)果確定裂紋位置，用砂輪磨光機(jī)清除裂紋直至消除，并再次進(jìn)行表面檢測以確保缺陷完全消除。如果凹坑深度小于覆層厚度，只需采用不銹鋼焊條進(jìn)行補(bǔ)焊；如果基材發(fā)生腐蝕，則應(yīng)選用相對應(yīng)材料的堿性焊條進(jìn)行補(bǔ)焊。

5 安全狀況等級評定

通過審查設(shè)計文件和圖紙，筆者發(fā)現(xiàn)該設(shè)備封頭形式為橢圓型，基層材料為16MnR，厚度28mm，滿足容器強(qiáng)度的計算和校核要求。而基層和覆層可視為承擔(dān)不同作用的兩個部分，對該設(shè)備進(jìn)行表面缺陷和埋藏缺陷檢測后，有必要將基層和覆層這兩部分的焊縫缺陷區(qū)分評定。基層焊縫缺陷可依據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8.5條中相關(guān)要求進(jìn)行安全狀況等級評定，文中不再贅述。

在實際檢驗過程中發(fā)現(xiàn)，覆層焊縫缺陷多以氣孔、夾渣、未熔合等非活動性缺陷為主，鮮有開裂或萌新的跡象。故覆層焊縫缺陷可按照設(shè)計文件中無損檢測的要求進(jìn)行評定，即不允許存在內(nèi)外表面裂紋，其它非活動性缺陷不影響安全狀況等級評定。同時覆層腐蝕深度不超過覆層厚度1/2的不影響定級，否則應(yīng)當(dāng)定為3級或者4級。

6 結(jié)語

不銹鋼復(fù)合鋼板旋壓封頭由于其制造工藝的特點和焊接過程的特殊性，在焊接應(yīng)力和封頭旋壓外力的共同作用下，增加了焊縫熱影響區(qū)裂紋產(chǎn)生的幾率。通過分析缺陷的成因有助于在壓力容器定期檢驗中更準(zhǔn)確的判斷和評定缺陷對設(shè)備的安全性能的影響。同時，有必要掌握設(shè)備的制造工藝和結(jié)構(gòu)特點并綜合分析，以基于風(fēng)險的理念保障檢驗開展和設(shè)備安全。